(57)【要約】【課題】  設計者が作図作業を行う３次元ＣＡＤ装置上で、設計している部品の撓む様子を対話的かつ簡易に表示する。【解決手段】  設計者は入力装置４のマウス等を操作し、形状データ作成部１１において３次元形状を作図する。作図の結果は形状表示情報として、形状データ作成部１１から撓み計算処理部１２に渡される。撓み計算処理部１２では、入出力装置４から撓み情報が入力されていない場合は、渡された形状表示情報をそのまま線画表示データ作成部１３へ出力し、撓み情報が入力された場合は、撓んだ状態の形状を計算し、渡された形状表示情報を加工して線画表示データ作成部１３に供給する。線画表示データ作成部１３は、形状表示情報が入力されると、その情報を元に線画表示データを作成して出力装置５へ供給する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次形状データにより表示されている形状の撓ませる部位を設定する手段と、前記部位を撓ませるための加重を設定する手段と、前記設定された加重に応じて、前記設定された部位の撓み後の位置を算出する手段と、該算出された位置を表示する手段とを備えたことを特徴とする３次元形状の撓み表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の３次元形状の撓み表示装置において、
前記表示する手段は、前記設定された部位の撓み前の表示を撓み後の算出位置の表示で置き換えることを特徴とする３次元形状の撓み表示装置。
【請求項３】
請求項１記載の３次元形状の撓み表示装置において、
前記撓ませる部位を設定する手段は、形状の稜線を設定することを特徴とする３次元形状の撓み表示装置。
【請求項４】
請求項２記載の３次元形状の撓み表示装置において、
前記稜線上にサンプル点を設定する手段を備え、前記設定された部位の撓み後の位置を算出する手段は、前記サンプル点の撓み後の位置を算出する手段と、該位置を補間する手段とを有することを特徴とする３次元形状の撓み表示装置。
【請求項５】
請求項１記載の３次元形状の撓み表示装置において、
前記設定された部位の撓みの途中経過となる位置を断続的に算出する手段と、該算出された位置を表示する手段とを備えたことを特徴とする３次元形状の撓み表示装置。
【請求項６】
コンピュータを、３次形状データにより表示されている形状の撓ませる部位を設定する手段と、前記部位を撓ませるための加重を設定する手段と、前記設定された加重に応じて、前記設定された部位の撓み後の位置を算出する手段と、該算出された位置を表示する手段として機能させるためのプログラム。
【請求項７】
３次形状データにより表示されている形状の撓ませる部位を設定する工程と、前記部位を撓ませるための加重を設定する工程と、前記設定された加重に応じて、前記設定された部位の撓み後の位置を算出する工程と、該算出された位置を表示する工程とを備えたことを特徴とする３次元形状の撓み表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＡＤ（Computer Aided Design ）／ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）／ＣＡＥ（Computer Aided Engineering）を用いた３次元形状処理装置、３Ｄ（Dimension ）ビューワ等の３次元形状描画装置、生産現場における組立て性検討などのための３次元形状シミュレーション装置等に用いて好適な３次元形状の撓み表示装置、表示方法、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、３次元ＣＡＤシステムに代表される３次元形状処理装置は、製造業における製品設計の工程において、その重要性が増している。今まで２次元の図面として製品形状を作図していた設計者は、３次元形状処理装置を用いて製品形状を作図するようになってきた。しかしながら、そこで作図される３次元形状は、撓みの無い剛体部品として形状表示されている。このため、作図する形状が、実際に目に見えて撓みが生じる部品であったり、撓ませることを意図した部品であったりしても、その部品が撓む様子をその場で対話的に表示させることはできなかった。
【０００３】
しかし、部品を設計するときには、撓みを考慮して部品の配置を行ったり、形状を取り決めたりすることがある。このため、作図形状をその場で対話的に撓ませて表示させることは、設計効率を向上させる上で非常に有用である。従来、３次元ＣＡＤ装置で作図した形状の撓む様子を確認するために、作図した形状のＣＡＤデータを３次元ＣＡＥシステムなどの解析装置に受け渡し、その解析装置を操作することにより、有限要素用のＦＥＭモデル（メッシュモデル）を変形させている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３０２５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術の場合、ＦＥＭモデルを変形させるものであり、ＣＡＤデータにより表示されている作図形状をその場で変形させるものではないため、設計者は、作図作業を中断するか終了させてから解析装置の操作を行わなければならない。また、設計者が普段取り扱わない専門知識が必要となったり、操作自体が難しかったりするために、作図過程で設計者が対話的に部品の撓む様子を確認することができなかった。さらに、解析装置を用いると高い精度で解析計算が行われるため、大雑把に部品の撓み具合を表示させたい場合であっても、必要以上に正確な計算処理を行ってしまい、応答に時間がかかってしまう。また、変形後の稜線形状を滑らかな曲線で表すことができなかった
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、３次形状データにより表示されている部品等の撓む様子を対話的かつ簡易に表示可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１の発明は、３次形状データにより表示されている形状の撓ませる部位を設定する手段と、前記部位を撓ませるための加重を設定する手段と、前記設定された加重に応じて、前記設定された部位の撓み後の位置を算出する手段と、該算出された位置を表示する手段とを備えたことを特徴とする３次元形状の撓み表示装置である。
請求項２の発明は、請求項１記載の３次元形状の撓み表示装置において、前記表示する手段は、前記設定された部位の撓み前の表示を撓み後の算出位置の表示で置き換えることを特徴とする３次元形状の撓み表示装置である。
請求項３の発明は、請求項１記載の３次元形状の撓み表示装置において、前記撓ませる部位を設定する手段は、形状の稜線を設定することを特徴とする３次元形状の撓み表示装置である。
請求項４の発明は、請求項２記載の３次元形状の撓み表示装置において、前記稜線上にサンプル点を設定する手段を備え、前記設定された部位の撓み後の位置を算出する手段は、前記サンプル点の撓み後の位置を算出する手段と、該位置を補間する手段とを有することを特徴とする３次元形状の撓み表示装置である。
請求項５の発明は、請求項１記載の３次元形状の撓み表示装置において、前記設定された部位の撓みの途中経過となる位置を断続的に算出する手段と、該算出された位置を表示する手段とを備えたことを特徴とする３次元形状の撓み表示装置である。
請求項６の発明は、コンピュータを、３次形状データにより表示されている形状の撓ませる部位を設定する手段と、前記部位を撓ませるための加重を設定する手段と、前記設定された加重に応じて、前記設定された部位の撓み後の位置を算出する手段と、該算出された位置を表示する手段として機能させるためのプログラムである。
請求項７の発明は、３次形状データにより表示されている形状の撓ませる部位を設定する工程と、前記部位を撓ませるための加重を設定する工程と、前記設定された加重に応じて、前記設定された部位の撓み後の位置を算出する工程と、該算出された位置を表示する工程とを備えたことを特徴とする３次元形状の撓み表示方法である。
【０００７】
（作用）
請求項１、６、７に係る発明によれば、３次形状データにより表示されている形状の撓ませる部位、及びその部位を撓ませるための加重を設定し、設定された加重に応じて、設定された部位の撓み後の位置を算出し、算出された位置を表示する。
請求項２に係る発明によれば、前記設定された部位の撓み前の表示を、該部位の撓み後の算出位置で置き換えて表示する。
請求項３に係る発明によれば、３次形状データにより表示されている形状の稜線を撓ませて表示する。
請求項４に係る発明によれば、３次形状データにより表示されている形状の稜線上のサンプル点の撓み後のサンプル点の位置を算出し、それらの位置を補間して前記稜線の撓み後の位置を算出し、表示する。
請求項５に係る発明によれば、設定された部位の撓みの途中経過となる位置を断続的に算出し、表示する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、３次形状データにより表示されている部品等の撓む様子を対話的かつ簡易に表示することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の第１乃至４の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態の３次元ＣＡＤシステムの構成を示す図である。この３次元ＣＡＤシステムは、バス１と、それぞれバス１に共通に接続されたＣＰＵ（Central Processing Unit ）２と、メモリ３と、入力装置４と、出力装置５と、外部記憶装置６とからなる。ＣＰＵ２は各種プログラムを実行する機能を有し、メモリ３は各種プログラムの実行中に発生する各種データを記憶するために用いられる。入力装置４は、設計者が、部品の作図のためのデータ及びコマンド、並びに作図された部品を撓ませるためのデータ及びコマンドを入力するためのキーボード及びマウス等であり、出力装置５は作図中の部品や撓ませた部品を表示するディスプレイ装置である。外部記憶装置６には、製品及び部品の設計のための各種環境及びツールを提供するための各種プログラムやデータが格納されている。
【００１０】
図２はこの３次元ＣＡＤシステムのＣＰＵ２により実行される機能を示す機能ブロック図である。ここで、形状データ作成部１１は、公知の３次元ＣＡＤシステムにて採用されているものであり、入力装置４のマウス等による作図操作に応じて、ＣＰＵ２が外部記憶装置５から、線、面、立体形状等、設計対象の形状を規定する各種トポロジー要素を読み出すと共に、それらを組み合わせて３次元形状データを作成し、作成された３次元形状データを出力装置５に表示させ、必要に応じて外部記憶装置６に格納する。
【００１１】
一方、撓み計算処理部１２と、線画表示データ作成部１３とは、新規な構成を有する部分である。撓み計算処理部１２では、入力装置４から撓み情報が入力されていない場合は、形状データ作成部１１から渡された形状表示情報をそのまま線画表示データ作成部１３へ出力し、撓み情報が入力された場合は、撓んだ状態の形状を計算し、渡された形状表示情報を加工して線画表示データ作成部１３に供給する。線画表示データ作成部１３は、形状表示情報が入力されると、その情報を元に線画表示データを作成して出力装置５へ出力する。
【００１２】
次に、図３Ａに示されている部品を撓ませて表示する場合の上記各部の処理の詳細について、図４のフローチャートを参照しながら説明する。ここで、図３Ｂは図３Ａに示されている部品の正面図であり、図３Ｃは図３Ａに示されている部品を撓ませた状態の正面図である。また、図３Ｄ及びＥは、本実施形態にて撓ませることの可能な部品の断面形状及び断面二次モーメントを示す図である。
【００１３】
まず、設計者による入力装置４のマウス等の操作に応じて、形状データ作成部１１は、図３Ａに示されている部品の形状表示情報を作成する。この形状表示情報が出力装置５に供給されることで部品が表示される。この部品は、図３Ｂに示すように、正面視略Ｈ形であり、その横方向に延びる部分（以下、梁と言う）の中心軸Ｐに垂直な面で切断した断面形状は、図３Ｄに示すような長方形である。なお、図３Ｅに示すような断面形状が円形の部品を撓ませて表示させることもできる。
【００１４】
次に、設計者は、出力装置５に表示されている部品の３次元形状を見ながら、入力装置４のマウス等を用いて、撓ませたい部分の設定操作、撓み計算の基礎となる直線軸（以下、材軸という）の設定操作、及び撓ませるための加重情報の入力操作を行う。ここでは、図３Ａに示す梁の略中央部の上面５１を選択し、下方へ所定の大きさの加重を与えるものとする。また、軸線として中心軸Ｐを選択したものとする。
【００１５】
これらの操作に応じて、形状データ作成部１１から撓み計算処理部１２へ形状表示情報が供給され、入力装置４から撓み計算処理部１２へ撓み情報が供給される。ここで、形状表示情報は、形状を構成する稜線群及び面群と、それらのつながりを表す位相情報であり、各稜線は曲線（直線を含む）情報を持ち、各面は曲面（平面を含む）情報を持つ。また、撓み情報は、撓み計算の基礎となる形状部位と、材軸と、部品の材料特性（ヤング率）と、加重条件（位置／大きさ／方向）である。これの情報が撓み計算処理部１２に入力されることで、図４に示す処理がスタートする。
【００１６】
まず、入力された撓み情報の形状部位が、材軸に対して均一な長方形断面又は円形断面となるか否かを判定し（ステップＳ１）、そのようになる場合は、材軸に平行な稜線上に幾つかのサンプル点を求める（ステップＳ３）。例えば図３Ａの場合は、材軸となる中心軸Ｐに平行な稜線である梁の上面５１の縁５１ａ及び下面の縁５２ａにサンプル点を求める。なお、均一な長方形断面又は円形断面とならない場合はエラー処理を行う（ステップＳ２）。
【００１７】
次いで、各サンプル点における撓みを算出する。各サンプル点における撓みは、梁の断面二次モーメントと、加重の大きさとに基づいて、材料力学における周知の演算式を用いて算出する（ステップＳ４）。ここで、梁の断面二次モーメント及び演算式は、図３Ｄ及びＥに示すものであり、予め外部記憶装置６に格納されている。
【００１８】
次に、各サンプル点を撓み後の位置に移動させる（ステップＳ５）。つまり、メモリ３に記憶されたサンプル点の位置情報を撓み後の位置情報に書き替える。次いで、各サンプル点の近傍を通過する曲線を最小二乗法等を用いて算出する（ステップＳ６）。この曲線は、撓む前の稜線が撓んだものである。なお、曲線の算出法については、例えば"L.Pigel,W.Tiller,The NURBS Book, Springer-Verlag, 1995"等の曲線及び曲面に関する参考書にも開示されている。
【００１９】
次いで、形状表示情報の稜線の曲線情報を、ステップＳ６で算出した曲線情報で置き換える（ステップＳ７）。最後に、稜線の曲線情報が撓み後の曲線情報に置き換えられた形状表示情報を線画表示データ作成部１３へ出力する。
線画表示データ作成部１３は、入力された形状表示情報に基づいて線画表示データを作成し、出力装置５に供給する。これにより、出力装置５には、図３Ｃに示すような、梁の上面及び下面が撓んだ状態の部品が表示される。
【００２０】
なお、以上の説明では、撓み後の状態を表示しているが、撓みの途中経過の曲線情報を断続的に算出し、それらの曲線を表示することで、部品が徐々に撓む様子が分かるようにすることもできる。
【００２１】
このように、本実施形態の３次元ＣＡＤシステムによれば、作図操作により作成され３次元形状データそのものを撓み情報に応じて加工し、表示しているので、設計者が作図作業を行う装置上で、設計者が作図した３次元形状の中の、直方体形状あるいは円柱形状の梁を構成する部位について、その部位が撓む様子を対話的に表示させることができる。
また、アニメーションなどの動画を用意して形状が撓む様子を表示させる場合に比べ、簡便かつ多角的に形状の撓みを評価することができる。
さらに、稜線形状の撓みを表示しているので、シェーディングなどで面を含めた表示を行う場合に比べて、簡易で高速に形状の撓みを表示することができる。
また、形状が撓む様子の途中経過を断続的に表示することにより、撓む前と撓んだ後の２枚の画像で形状の撓みを表示する場合に比べ、形状が撓む様子をより現実の現象に近い形で確認することができる。
さらに、材料特性や材軸、加重条件を指定しているので、対話的に条件を変化させながら多角的に形状の撓みを評価することができる。
また、マウスなどのポインティングデバイスによるドラッギング操作等により加重条件を指定しているので、簡便に形状の撓みを表示することができる。
【００２２】
なお、以上の実施形態では、便宜上、図３Ｃに示すように、部品の撓み形状を２次元的に表示したが、図３Ａに示す３次元形状の撓みを３次元的に表示できることは言う迄もない。また、梁に集中加重を与える場合を例示して説明したが、等分布加重を与えた場合の撓みを表示することも可能である。さらに、入力された撓み情報の形状部位が材軸に対して不均一な断面形状を有する部品の撓みを表示するように構成することもできる。
【００２３】
［第２の実施形態］
図５は本発明の第２の実施形態の３次元ビューワシステムの機能ブロックである。この図において、図２と同一又は対応する構成要素には、図２で使用した符号を付した。また、これらの機能を実現するシステムは図１に示す構成を有するものであり、その外部記憶装置６に格納するプログラム及びデータを３次元ビューワシステムに対応するものに変更しておき、ＣＰＵ２がそれらのプログラムを実行することで機能を実現する。
【００２４】
この３次元ビューワシステムは、第１の実施形態の形状データ作成部１１を形状データ読込部２１に置き換えたものである。ユーザによる入力装置４のマウス等の操作に応じて、ＣＰＵ２は外部記憶装置６から形状データを読み出し、形状データ読込部２１に供給する。形状データ読込部２１は、形状表示情報を撓み計算処理部１２へ渡す。撓み計算処理部１２では、入力装置４から撓み情報が入力されていない場合は、渡された形状表示情報をそのまま線画表示データ作成部１３へ出力し、撓み情報が入力された場合は、撓んだ状態の形状を計算し、渡された形状表示情報を加工して線画表示データ作成部１３に供給する。線画表示データ作成部１３は、形状表示情報が入力されると、その情報を元に線画表示データを作成して出力装置５へ出力する。撓み計算処理部１２及び線画表示データ作成部１３の処理の詳細は第１の実施形態と同じである。
【００２５】
本実施形態の３次元ビューワシステムによれば、設計評価やプレゼンテーションなどを目的とした３次元形状のビューワシステムにおいて、直方体形状あるいは円柱形状の梁を構成する３次元形状の部位について、その部位が撓む様子を対話的に表示させることにより、現実の製品により近い状態での設計評価やプレゼンテーションを実現することができる。
【００２６】
［第３の実施形態］
図６は本発明の第３の実施形態の３次元形状データによる製品マニュアルの機能ブロックである。この図において、図２と同一又は対応する構成要素には、図２で使用した符号を付した。また、これらの機能を実現するシステムは図１に示す構成を有するものであり、その外部記憶装置６に格納するプログラム及びデータを３次元形状データによる製品マニュアルに対応するものに変更しておき、ＣＰＵ２がそれらのプログラムを実行することで機能を実現する。
【００２７】
この３次元形状データによる製品マニュアルは、第１の実施形態の形状データ作成部１１をマニュアルデータ読込部３１に置き換えたものである。ユーザによる入力装置４のマウス等の操作に応じて、ＣＰＵ２は外部記憶装置６からマニュアルデータを読み出し、マニュアルデータ読込部３１に供給する。マニュアルデータ読込部３１は、形状表示情報を撓み計算処理部１２へ渡す。撓み計算処理部１２及び線画データ作成部１３が実行する処理の内容は第１の実施形態と同様である。
【００２８】
本実施形態によれば、３次元形状データを用いて製品の使い方や動作を説明するマニュアルにおいて、直方体形状あるいは円柱形状の梁を構成する３次元形状の部位について、その部位が撓む様子を対話的に表示させることにより、実際の製品を取り扱ったときの動作により近い状況で、製品の扱い方を説明することができる。
【００２９】
［第４の実施形態］
図７は本発明の第４の実施形態の３次元形状データによる生産シミュレーションシステムの機能ブロックである。この図において、図２と同一又は対応する構成要素には、図２で使用した符号を付した。また、これらの機能を実現するシステムは図１に示す構成を有するものであり、その外部記憶装置６に格納するプログラム及びデータを３次元形状データによる生産シミュレーションシステムに対応するものに変更しておき、ＣＰＵ２がそれらのプログラム実行することで機能を実現する。
【００３０】
この生産シミュレーションシステムは、第１の実施形態の形状データ作成部１１をシミュレーションデータ読込部４１で置き換えたものである。ユーザによる入出力装置４のマウス等の操作に応じて、ＣＰＵ２は外部記憶装置６からシミュレーションデータを読み出し、シミュレーションデータ読込部４１に供給する。シミュレーションデータ読込部４１は、形状表示情報を撓み計算処理部１２へ渡す。撓み計算処理部１２及び線画データ作成部１３が実行する処理の内容は第１の実施形態と同様である。
【００３１】
本実施形態によれば、工具や冶具を用いて製品の組立て性を検討すること等を目的とした生産シミュレーションにおいて、３次元形状で表現された製品形状および工具や冶具について、直方体形状あるいは円柱形状の梁を構成する部位が撓む様子を対話的に表示させることにより、現実の組立て作業により近い状況での生産シミュレーションを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施形態の３次元ＣＡＤシステムの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の３次元ＣＡＤシステムのＣＰＵにより実行される機能を示す機能ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の３次元ＣＡＤシステムにおける撓み表示の例を及び梁の断面形状を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の撓み計算処理部の処理内容を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第２の実施形態の３次元ビューワシステムの機能ブロックである。
【図６】本発明の第３の実施形態の３次元形状データによる製品マニュアルの機能ブロックである。
【図７】本発明の第４の実施形態の３次元形状データによる生産シミュレーションシステムの機能ブロックである。
【符号の説明】
【００３３】
２・・・ＣＰＵ、４・・・入力装置、５・・・出力装置、６・・・外部記憶装置、１１・・・形状データ作成部、１２・・・撓み計算処理部、１３・・・線画表示データ作成部、２１・・・形状データ読込部、３１・・・マニュアルデータ読込部、４１・・・シミュレーションデータ読込部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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